用于led照明应用的、热沉中的电子器件的热隔离的制作方法

专利名称：用于led照明应用的、热沉中的电子器件的热隔离的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子器件，所述电子器件用于提供改善的热传输 能力，用于保护热敏感电子装置，以及一种制造这种电子器件的方法。 本发明还涉及所述电子器件针对多种应用的用途。
背景技术：
电子器件包括数量日益增长的电子元件，其中一些电子元件产生 大量的多余热量，而其中一些电子元件对热量尤为敏感，导致电子装 置暂时或永久性地发生故障。
在电子工业中，这引起了越来越多的关注，尤其是随着越来越小 的电子器件的发展，在给定的面积上的电子元件的数量不断增长。因 此，消除元件之间的不需要的影响(由于诸如发热等原因所引起)变 得曰益困难。因此，在寻找补救方法的过程中，致力于设计这些设备， 以使得发热元件和其它元件互相分离。
例如，在高亮度发光二极管(LED)的大量应用(用于发信号和 标志)的这个特定领域中，这已经成为显著的问题。在照明应用方面， 这些二极管有望在几年内代替常规的灯。
现今，电子器件通常是以芯片为基础的。获得小尺寸多芯片模块 的己知原则是使用安装在公共衬底上的LED裸片，例如，所述公共衬 底制造在硅中。在这种衬底中，集成越来越多的电子元件，例如，诸 如二极管和晶体管之类的有源元件和诸如电阻器、电容器和电感器之 类的无源元件。这些元件设定了多芯片模块的光输出颜色和光输出通 量设置等。
由于LED的发光特性，大量(大约80%)的输入功率被以热的形 式耗散。结果，这些热量提高了LED的结温，并且降低了该LED的寿命和效率。此外，越来越频繁地发生这种情况LED的结温上升到15(TC 以上，有时甚至高达185"C。在上述温度范围内，电子器件的性能受到 了严重的影响，并且对多芯片模块的较好光控制产生了不利影响。
为了维持这种照明模块的较好光控制，必须将LED的结温维持在 特定的阈值以下。因此，需要找到增加热耗散并且保护电子器件以免 过热的方式。
美国专利申请No. 2005/0074046公开了一种诸如激光二极管之类 的发热二极管芯片，该发热二极管芯片通过散热装置(热沉)和热绝 缘层与电路相分离，从而使发光元件所产生的热不会传送到驱动芯片。
然而，现有技术的设备存在大量缺点。因此，需要一种可替代的、 便利解决方案，以屏蔽集成在衬底中的热敏感元件。

发明内容
考虑到上述问题，本发明的一个目的是解决或至少减少上述问 题。具体地， 一个目的是获得电子器件的改善的热绝缘，尤其是在LED 照明应用的热沉(submount)中。
根据本发明的第一方面，通过一种电子器件来获得上述目的，所 述电子器件包括衬底、发热电子装置和其它电子装置。所述电子器件 还包括用于热绝缘的装置和用于热耗散的装置。发热电子和其它电子 装置设置在衬底上。用于热绝缘的装置设置在衬底中以防止热量从发 热电子装置沿着第一方向向其它电子装置耗散，并且将用于热耗散的 装置设置在衬底中，以使热量通过衬底沿着与第一方向不同的第二方 向耗散。因此，可以获得如下这种电子器件，其中设置硅热沉中的热 壁垒和高导热路径以耗散热，并且有益地防止了集成在热沉中的电子 器件过热。
因此，有益地，由于用于热绝缘的装置和用于热耗散的装置集成 在衬底中，它几乎不占据空间，并且通过沿用于热耗散的装置所给出 的任何想要的方向将热量引导通过衬底，提供了改善的热耗散的控制。 因此，在不影响位于衬底的正面处的集成器件的情况下，能够通过热 传导，将热引导或导向衬底的背面。而且，作为热耗散的效应，流经LED的电流将增加，因此，有益 地导致发光设备的发光效率的增加。
优选地，考虑到从发热源传输热的益处，电子器件的衬底可以是 导热的。
而且，考虑利用衬底的有益的半传导性质，衬底还可以制造在硅中。
衬底还可包括热传导率在100W/K.m至200W/K.m之间，或更优地 为140W/K.m的材料。因此，有益地，相对于衬底本身，提供更大的热
传导率。
根据本发明的一个实施例，发热电子装置可以包括发光器件 (LED)，优选地，高功率LED。虽然在多种电子元件中都会产生过热， 在发光器件(尤其是这种高功率驱动的发光器件)中提供有效的热耗 散效应是尤其有益的。
由于其它电子装置的热敏感性，这些电子装置根据其特性甚至可 以更有益地从屏蔽某些元件发出的热中获益。例如，因此其它电子装 置可以包括诸如二极管和/或晶体管之类的有源元件、或诸如电阻器、 电容器、电感器之类的无源元件、或它们的组合。
根据本发明的一个实施例，其它电子装置与发热电子装置连接， 并且设置为控制发热电子装置的特性，诸如LED的光输出颜色和/或光 输出流量设置等。因此，根据本发明，能够获得提供具有改善的外观 和性能的发光设备的益处。
根据本发明的另一实施例，用于热绝缘的装置包括热传导率等于 或小于100W/K.m，优选地，等于或小于50W/K.m，或更优选地，等于 或小于10W/K.m，或甚至更优选地，2W/K.m的材料。实质上，由于具 有相对低于周围衬底的其它部分的热传导率的材料，可以获得改善的 保护以免受热。如果具有热绝缘材料氧化硅，这种效应尤其明显。
根据本发明的又一实施例，用于热耗散的装置包括热传导率等于 或大于200W/K.m，优选地，等于或大于300W/K.m，甚至更优选地， 等于或大于400W/K.m的材料。因此，由于改善的热耗散能力，有益地 获得对热敏感电子装置的更好保护。如果具有诸如金属(优选地，铜)之类的高热传导率的材料，这种效应尤其明显。
因此，有益地，使用不同热传导率的材料以保护集成在衬底中的 电子器件以免受热。
根据本发明的再一实施例，用于热绝缘的装置占据衬底中的沟 槽。有益地，应用沟槽为热屏蔽提供高效率和有效的阻隔，这也易于 制造。有益地，沟槽可以相对第一方向横向延伸，优选地，延伸到穿 过衬底至少一半的深度。
根据本发明的另一实施例，用于热耗散的装置包括填充有热耗散 材料的衬底通孔。因此，有益地，热量能够有效地通过这些穿过衬底 的渠道耗散。
此外，根据本发明的又一实施例，其它电子装置还可以包括至少 第一齐纳二极管，所述第一齐纳二极管用于保护发热电子装置防止静
电放电(ESD)。
根据另一实施例，电子器件是芯片模块，优选地，多芯片模块，
这样做的优点是允许电子元件的多种配置。
换言之，通过如下衬底实现本发明的一个优选实施例所述衬底 包括电子器件，所述电子器件通过填充有氧化硅的深沟槽与例如LED 所产生的热相隔离。因为氧化硅的热传导率非常低，所述氧化硅保护
元件以免受LED发出的热。填充铜的衬底通孔用作热管道，并促进热 耗散。
根据本发明的第二方面，通过一种制造电子器件的方法来获得上 述目的，所述电子器件包括衬底、发热电子装置和其它电子装置。电 子器件还包括用于热绝缘的装置和用于热耗散的装置，设置这些装置 以保护其它电子装置免受发热电子装置的影响。所述方法包括以下步
骤
□将电子装置与衬底集成；
。完成设备的扩散、隔离和连接；以及
。在衬底中通过光刻技术形成窗口图案。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括步骤-
。在窗口中刻蚀沟槽；□氧化衬底；
□在沟槽中沉积导热性大于衬底的材料；
□在实质上与第一表面相反的衬底表面上沉积电介质，并在所述 电介质中形成窗口图案；
□在窗口中，从第二表面向第一表面干法刻蚀第二沟槽；
□在第二沟槽中沉积氧化物；
。在第二沟槽中沉积籽晶层；
□在第二沟槽中生长电镀铜；以及
。在衬底的第二表面上焊接管芯。
根据本发明的另一实施例，所述方法还包括以下步骤-
。在衬底的第一表面上沉积非可氧化电介质，并在所述非可氧化
电介质中形成窗口图案；
□干法刻蚀以去除沟槽外的TEOS，而保留沉积在沟槽中的
TEOS;
。对衬底的第二表面进行化学机械抛光，以去除不需要的铜残留 物；以及
□在衬底的第二表面上沉积金属，优选地，沉积TiNiAg (钛、镍 和银)。
根据本发明的又一实施例，具有高导热性的材料包括四乙氧基硅 烷(TEOS)氧化物。
应指出，根据优选实施例，电介质可以是非可氧化的。
根据另一优选实施例，辅助沟槽中的氧化沉积步骤包括等离子增 强型化学气相沉积(PECVD)。
根据本发明的再一实施例，沉积籽晶层以包括厚度在400至600A 之间的钛和厚度在4000至6000A之间的铜。
优选地，沟槽的刻蚀能够延伸到范围在30至50mm之间的深度。 也应指出，优选地，刻蚀沟槽的步骤可以包括干法刻蚀。
根据本发明的第三方面，通过根据实施例的电子器件的用途达到 上述目的，所述实施例对应于用在用于发信号、标志、汽车和照明应 用的LED灯中，或用在显示装置中，或用在上述LED灯或显示装置的任意组合中。
本发明的实际应用包括用在用于发信号、标志、汽车和其它照明
应用的LED灯的多种应用中，这些应用中均使用高功率LED。
通过下面的详细公开、所附从属权利要求和附图，本发明的其它 目的、特征和益处将更加显而易见。
通常，权利要求中使用的所有名词均解释为技术领域中的普通含 义，除非此处另有明确定义。所有对"一个/所述[元件、设备、元件、 装置、步骤等]"的引用均应被开放性地解释为所述元件、设备、元件、 装置、步骤等的至少一个例子，除非另有说明。这里公开的任何方法 的步骤不必以所公开的精确的顺序执行，除非明确说明。


通过以下参考附图对本发明优选实施例的示意性和非限制性描 述，将更好地理解本发明的上述和其他目的、特征和益处，在附图中， 使用相同的参考数字来表示 相似的元件。其中，
图l概念性地示出了根据本发明的电子器件的视图； 图2a 图2h示意性地示出了制造如图l所示的电子器件的方法所 包括的步骤。
具体实施例方式
图1示出了包括衬底101的电子器件100，所述衬底101具有表面安 装的发热电子装置102、其它电子装置103、用于热绝缘的装置104和用 于热耗散的装置105。图中还所示了箭头106，表示来自发热电子装置 102的热耗散方向。图l示出了增加热耗散从而保护电子器件以免受热 的原理。
图2a 图2h示意性地示出了构造根据本发明一个方面的电子器 件的过程中的步骤a)至h)。图2a 图2h描述了其中实施本发明的电子 器件200，但是对于本领域的技术人员，也可以知道各种其它的实施例。 设备200包括N或P型半导体材料的衬底201。典型地，衬底201使用诸 如掺杂、扩散、刻蚀或薄膜沉积之类的标准工艺制备。所示衬底具有第一207和第二208表面。在图2a中，示出了如何在衬底201的第一表面 207上的非可氧化电介质204中沉积窗口202和203，以及如何在衬底201 的第一表面207上的非可氧化电介质204中形成图案。使用金属化，将 用于连接发热电子装置的连接器205和206直接添加到表面207上。在图 2b中，在窗口202和203内，将沟槽212和213干法刻蚀到大约30 50iim 的深度。
在刻蚀这些沟槽212和213之后，如图2c中的数字222和223所示， 氧化表面207，并沉积四乙氧基硅烷(TEOS)以填充这些沟槽。因此， 使用具有低热传导率的材料，可以产生有效的热阻隔。然后，通过干 法刻蚀去除沟槽外不需要的TEOS，而保留沉积在沟槽中的TEOS。
图2d示出了窗口215和216，在衬底的第二表面208上沉积非可氧 化电介质214，并在非可氧化电介质214中形成窗口215和216的图案。
图2e示出了窗口205和206中的干法刻蚀如何产生直达电介质的 正面217和218的沟槽225和226。然后，在这些沟槽中沉积PECVD氧化 物。
在相同的沟槽225和226中，如图2f所示，沉积厚度为500A的钛和 厚度为5000A的铜的籽晶层209。图2g示出了如何使用电镀工艺将沟槽 填充铜235和236。
此外，在图2g中也示出了化学机械抛光工艺如何从第二表面228 去除铜残留物。
最后，图2h示出了如何将TiNiAg (钛、镍、银)238沉积在衬底 201的第二表面208上，以作为热沉促进管芯的焊接。
权利要求
1、一种电子器件，所述电子器件包括衬底、发热电子装置和其它电子装置、用于热绝缘的装置和用于热耗散的装置，其中所述发热电子装置和其它电子装置布置在衬底上，用于热绝缘的装置布置在衬底中以防止热量从发热电子装置沿着第一方向向其它电子装置耗散，其特征在于用于热耗散的装置布置在衬底中，用于沿着与第一方向不同的第二方向通过衬底来耗散热。
2、 根据权利要求l所述的电子器件，其中所述衬底是导热的。
3、 根据权利要求1或2所述的电子器件，其中所述衬底制作在硅中。
4、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件，其中所述衬 底包括热传导率在100W/K.m至200W/K.m之间、优选地为140W/K.m的材料。
5、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件，其中所述发 热电子装置包括发光器件(LED)，优选地，高功率LED。
6、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件，其中所述其 它电子装置包括集成电子元件、诸如二极管和/或晶体管之类的有源元 件、诸如电阻器、电容器、电感器之类的无源元件、或它们的组合。
7、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件，其中所述其 它电子装置与发热电子装置连接，并且设置为控制发热电子装置的特 性，诸如LED的光输出颜色和/或光输出通量设置等。
8、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件，其中所述用 于热绝缘的装置包括热传导率等于或小于100W/K.m,优选地，等于 或小于50W/K.m，优选地，等于或小于10W/K.m，优选地，2W/K.m 的材料。
9、 根据权利要求8所述的电子器件，其中所述材料是氧化硅。
10、 根据前述任何一项权利要求所述的电子器件，其中所述用于 热耗散的装置包括热传导率等于或大于200W/K.m，优选地，等于或大于300W/K.m，更优选地，等于或大于400W/K.m的材料。
11、 根据权利要求10所述的电子器件，其中所述用于热耗散的 装置包括金属材料，优选地，包括铜。
12、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件，其中所述用 于热绝缘的装置占据衬底中的沟槽。
13、 根据权利要求12所述的电子器件，其中所述沟槽相对于第 一方向横向延伸，优选地，穿过衬底至少一半的深度。
14、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件，其中所述用 于热耗散的装置包括填充有热耗散材料的衬底通孔。
15、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件，其中所述其 它电子器件还包括至少第一齐纳二极管，用于保护发热电子装置防止 静电放电(ESD)。
16、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件，其中所述器 件是芯片模块，优选地，多芯片模块。
17、 一种用于制造电子器件的方法，所述电子器件包括衬底、发 热电子装置和其它电子装置、用于热绝缘的装置和用于热耗散的装置， 布置为保护其它电子装置免受发热电子装置的影响，所述方法包括以 下步骤将电子装置与衬底集成， 完成器件的扩散、隔离和连接，以及 在衬底中通过光刻技术形成窗口图案。
18、 根据权利要求17所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤在窗口中刻蚀沟槽， 氧化衬底，在沟槽中沉积导热性大于衬底的材料，在实质上与第一表面相反的衬底表面上沉积电介质，并在所述电介质中形成窗口图案，在窗口中，从第二表面向第一表面干法刻蚀第二沟槽； 在第二沟槽中沉积氧化物；在第二沟槽中沉积籽晶层；在第二沟槽中生长电镀铜；以及在衬底的第二表面上焊接管芯。
19、 根据权利要求17或18任何一项所述的方法，其中所述方法 还包括以下步骤-在衬底的第一表面上沉积非可氧化电介质，并在所述非可氧化电 介质中形成窗口图案；干法刻蚀以去除沟槽外的TEOS，而保留沉积在沟槽中的TEOS;对衬底的第二表面进行化学机械抛光，以去除不需要的铜残留 物；以及在衬底的第二表面上沉积金属，优选地，沉积TiNiAg (钛、镍和银)。
20、 根据权利要求17至19中任何一项所述的方法，其中所述高 导热性材料包括四乙氧基硅垸(TEOS)氧化物。
21、 根据权利要求18至20所述的方法，其中沉积所述籽晶层以 包括厚度在400至600A之间的钛和厚度在4000至6000A之间的铜。
22、 根据权利要求18至21任何一项所述的方法，其中刻蚀沟槽 的步骤优选地包括干法刻蚀。
23、 根据权利要求18至22任何一项所述的方法，其中所述刻蚀 沟槽的步骤优选地包括刻蚀到30至50pm之间的范围内的深度。
24、 根据前述权利要求中任何一项所述的电子器件的用途，所述 用途是用在用于发信号、标志、汽车和照明应用的LED灯中，或用在 显示装置中，或用在上述LED灯和显示装置的任意组合中。
全文摘要
本发明涉及一种电子器件，所述电子器件用于提供改善的热传输能力，用于保护热敏感电子装置，以及一种制造这种电子器件的方法。本发明还涉及这种电子装置的多种用途，所述用途包括用在诸如用于发信号、标志、汽车和照明应用的LED灯中，或用在显示装置中，或用在上述LED灯和显示装置的任意组合中。
文档编号H01L25/16GK101627474SQ200780014204
公开日2010年1月13日 申请日期2007年4月17日 优先权日2006年4月20日
发明者吉勒·费鲁 申请人:Nxp股份有限公司